DE3735455A1

DE3735455A1 - ELECTRICAL COMPONENTS

Info

Publication number: DE3735455A1
Application number: DE19873735455
Authority: DE
Inventors: Hans Prof Dr Ing Isert; Wolfgang Dr Phil Schaefer
Original assignee: Telenorma Telefonbau und Normalzeit GmbH; Telefonbau und Normalzeit GmbH
Current assignee: Telenorma GmbH
Priority date: 1987-03-18
Filing date: 1987-10-20
Publication date: 1988-09-29
Also published as: DE3735455C2; EP0283590A2; US5006920A; EP0283590A3

Description

Im Laufe der vorangegangenen Jahre haben sich die Abmessungen von elektronischen Bauelementen immer mehr verkleinert. Das gilt sowohl für Bauelemente integrierter Halbleitertechnologie als auch für Bauelemente der Dickschicht- und Dünnschichttechnik. So können beispielsweise die Abmessungen eines Multilayer- Keramikkondensators der Dickschichttechnik oder ein entsprechender Widerstand die Fläche von einem mm² unterschreiten. Entsprechendes gilt für ungekapselte Halbleiterchips.In the past few years, the dimensions of electronic components have become smaller and smaller. This applies both to components of integrated semiconductor technology and to components of thick-film and thin-film technology. For example, the dimensions of a multilayer ceramic capacitor from thick-film technology or a corresponding resistance may be less than the area of one mm ² . The same applies to unencapsulated semiconductor chips.

Die genannten Mikrobauelemente werden daher auf einen Träger aus Metall, Keramik oder Kunststoff aufgebracht, welches durch Legieren, Löten oder Kleben geschehen kann. Näheres hierzu siehe Peter Kästner, "Halbleiter- Technologie", Vogelverlag 1980 und Günter Käs, Schichtelektronik, Lexika-Verlag 1978".The microcomponents mentioned are therefore in one Carrier made of metal, ceramic or plastic, which can be done by alloying, soldering or gluing. For more information, see Peter Kästner, "Semiconductor Technology ", Vogelverlag 1980 and Günter Käs, Layer electronics, Lexika Verlag 1978 ".

Die Befestigung der genannten Mikrobauelemente auf einem Träger bereitet nun aufgrund der kleinen Abmessungen, die beherrscht werden müssen, erhebliche Schwierigkeiten. In der Regel wird dabei so vorgegangen, daß die der auf- oder eingebrachten elektronischen Schaltungen abgewandte Unterseite auf den Träger aufgebracht wird, an den gleichzeitig in geeigneter Weise aus Metall bestehende elektrische Anschlüsse befestigt sind. Diese Anschlüsse werden mit meist aus Aluminium bestehenden Anschlußpunkten des nackten Chips verbunden (bonden). The attachment of the mentioned micro components a carrier is now preparing due to the small Dimensions that have to be mastered are considerable Difficulties. As a rule, the procedure is as follows that that of the applied or introduced electronic Underside of circuits applied to the carrier will at the same time in a suitable manner Metal existing electrical connections are attached. These connections are mostly made of aluminum Connection points of the bare chip connected (bonding).

Dieser Bondvorgang ist sehr aufwendig.This bonding process is very complex.

Die Erfindung geht daher aus von einer in dem Gattungsbegriff näher bezeichneten Verbindungstechnik und hat sich zur Aufgabe gestellt, eine für Mikrobauelemente geeignete kostengünstige Verbindungstechnik vorzuschlagen.The invention is therefore based on one in the generic term specified connection technology and has become Task, a suitable for micro devices To propose inexpensive connection technology.

Die genannte Aufgabe wird durch die in dem Hauptanspruch ausgeführte Merkmalskombination gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, die aus der Halbleitertechnik bekannte Ätztechnik auch auf die Schaffung von vorzugsweise lösbaren Verbindungen anzuwenden. Dabei werden durch geeignete Ätztechniken von dem einen der beiden zu verbindenden Elemente Vorsprünge und an dem anderen der beiden zu verbindenden Elemente entsprechende Ausnehmungen herausgearbeitet, so daß die beiden Elemente an ihren miteinander zu verbindenden Seiten ineinander gesteckt werden können. Geeignete Ätztechniken sind aus der Halbleitertechnik hinreichend bekannt. Im Prinzip ist es aus der Literatur auch bekannt, die in der Halbleitertechnik verwendeten Ätztechniken auch zur Lösung mechanischer Probleme anzuwenden (siehe beispielsweise Proceedings of the IEEE, Vol. 70, No. 5, Mai 1982). Es ist daher möglich die mit Ansätzen versehenen Mikrobauelemente, zu denen auch Halbleiterbauelemente gehören können, auf einen mit entsprechenden Ausnehmungen in Ätztechnik angefertigten Träger aufzustecken. In einigen Fällen kann es aber auch zweckmäßig erscheinen, die Bauelemente selbst mit Ausnehmungen zu versehen und auf dem Träger entsprechende Vorsprünge herauszuarbeiten.The stated object is achieved by the main claim executed combination of features solved. The invention basically consists of that from semiconductor technology known etching technique also on the creation of preferably to use detachable connections. Doing so appropriate etching techniques from either one to connecting elements protrusions and on the other the recesses corresponding to both elements to be connected worked out so that the two elements on their pages to be joined together can be. Suitable etching techniques are from the Semiconductor technology well known. In principle it is it is also known from the literature used in semiconductor technology used etching techniques to solve mechanical Apply problems (see e.g. Proceedings of the IEEE, Vol. 70, No. 5, May 1982). It is therefore possible the micro-components provided with approaches, which can also include semiconductor components, on one with corresponding recesses in etching technology made carrier. In some cases but it can also appear appropriate, the components to be provided with recesses and on the Carriers to work out corresponding projections.

In manchen Fällen, in denen es die Größe der Mikrobau elemente erlaubt, können die Ansätze der Mikrobauelemente auch in Ausnehmungen des Trägers eingreifen, die durch andere Techniken als Ätzen gewonnen wurde, so beispielsweise durch Bohren und durch Ausbrennen mit Hilfe von Laserstrahlen. Diese Technik empfiehlt sich insbesondere bei Träger, die nur schwer oder überhaupt nicht ätzbar sind, wie beispielsweise Kunststoff, oder bestimmte Metalle. In some cases, it is the size of the micro-structure elements allowed, the approaches of microcomponents also engage in recesses in the carrier caused by techniques other than etching have been obtained so for example by drilling and by burning out with Help of laser beams. This technique recommends especially with carriers that are difficult or at all are not etchable, such as plastic, or certain metals.

Als Trägermaterial kann das gleiche Material verwendet werden, aus dem das Mikrobauelement selbst auch besteht, wie beispielsweise Silizium, Galliumarsenid, Keramik oder ähnliches. Die gleiche Technik läßt sich aber auch anwenden um zwei oder mehr Mikrobauelemente schichtförmig miteinander zu verbinden. Man erhält hierdurch eine recht hohe Packungsdichte. Außerdem bietet eine derartige Verbindungstechnik den Vorteil, daß in einfacher Weise bereits geprüfte Bauelemente dicht gepackt miteinander verbunden werden können, so daß sich hierdurch eine höhere Ausbeute bei der herzustellenden Schaltung erhoffen läßt. Durch den lösbaren Aufbau ist aber auch eine erhöhte Flexibilität in der Gestaltung der Gesamtschaltung und bei möglichen Reparaturen gegeben.The same material can be used as the carrier material from which the micro-component itself is made, such as silicon, gallium arsenide, ceramic or the like. The same technique can also be used apply layered around two or more micro devices connect with each other. This gives you a right high packing density. It also offers one Connection technology has the advantage of being simple Components that have already been tested are packed tightly together can be connected, so that a higher yield in the circuit to be manufactured hope. Due to the detachable structure is also increased flexibility in the design of the Overall circuit and given possible repairs.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung empfiehlt es sich, die Vorsprünge als stumpfe Kegel und die zugehörigen Ausnehmungen als Zylinder auszugestalten. Die Zylinder können beispielsweise Kreiszylinder sein, mit denen sich die geneigten Mantelflächen der kegelförmigen Vorsprünge bei der Verbindung verklemmen. Zur Erzielung besserer Übergänge können aber auch die Querschnittflächen der Ausnehmungen und der Vorsprünge unterschiedliche geometrische Figuren haben, wie beispielsweise Kreis und Viereck oder ähnliches. Beim Ineinanderstecken ergeben sich hierdurch im wesentlichen linienförmige Verbindungs flächen, die für einen guten mechanischen Kontakt der beiden zu verbindenden Elemente sorgen.In an advantageous development of the invention recommends it, the protrusions as blunt cones and the associated recesses as a cylinder. The cylinders can be circular cylinders, for example, with which the inclined lateral surfaces of the conical Clamp protrusions on the connection. To achieve The cross-sectional areas can also have better transitions the recesses and the projections are different have geometric figures, such as circles and square or the like. Surrender when nested thereby essentially a linear connection surfaces for good mechanical contact of the two elements to be connected.

Die geringfügigen Abmessungen der Mikrobauelemente in denen u. U. beachtlichte Leistungen umgesetzt werden, bringen es mit sich, daß diese sich unangemessen erwärmen können. In solchen Fällen empfiehlt es sich, daß zwischen den zugewandten Flächen der miteinander zu verbindenden Substrate ein Hohlraum im verbundenen Zustand verbleibt, der zu Kühlungszwecken dient. Die Ausgestaltung der beiden miteinander zu verbindenden Klemmelemente ist dabei derart, daß im verklemmten Zustand ein erheblicher Zwischenraum zwischen den einander zugewandten Substratflächen besteht, wodurch ein kühlendes Medium wie beispielsweise Luft oder Wasser geleitet werden kann. Die Ansätze der auf dem Träger festgesteckten Mikrobau elements wirken dabei gleichzeitig als Abstandspfosten zwischen Träger und Bauelement. Durch eine entsprechende Ausgestaltung von Vorsprüngen und Ausnehmungen lassen sich geeignete Kanäle auch zur Durchführung von Flüssigkeit schaffen.The small dimensions of the micro components in those u. Considerable achievements can be implemented, bring with the fact that these can heat up inappropriately. In such cases it is recommended that between the facing surfaces of the to be connected Substrates a cavity remains in the bonded state, which is used for cooling purposes. The design of the is to be connected to two clamping elements doing so that in the jammed state a considerable Gap between the facing each other There is substrate surface, creating a cooling medium like for example air or water can be passed. The approaches of the microstructure pinned on the carrier elements also act as spacing posts between carrier and component. By an appropriate Design of projections and recesses suitable channels also for carrying liquid create.

In Weiterbildung der Erfindung empfiehlt es sich, die Oberflächen von Vorsprüngen und Ausnehmungen mit elektrisch leitenden Schichten zu versehen, so daß hier die Möglichkeit besteht, die Klemmverbindung gleichzeitig zur elektrischen Verbindung zweier miteinander zu verbindener elektrischer Schaltungen auszunutzen. Dabei kann die Leitschicht durch Dotieren, Aufdampfen, Diffundieren oder vergleichbare Techniken geschaffen werden. Die Vorsprünge bzw. Ansätze sind mit elektrisch leitenden Bahnen elektrisch leitend verbunden, die zu geeigneten Punkten der Schaltung führen, die auf das Substrat aufgebracht oder in dieses eingebracht ist. Auch der Träger kann wiederum eine eigene elektrische Schaltung besitzen, die auf den Träger aufgebracht oder in diesen eingebracht ist.In a further development of the invention, it is recommended that Surfaces of protrusions and recesses with electrical to provide conductive layers, so that here Possibility, the clamp connection at the same time for the electrical connection of two to be connected exploit electrical circuits. The Conductive layer by doping, vapor deposition, diffusion or comparable techniques are created. The Projections or approaches are with electrically conductive Paths electrically conductively connected to suitable ones Points of the circuit lead to the substrate is applied or introduced into this. Also the Carrier can in turn have its own electrical circuit own, applied to or in the carrier is introduced.

Als Ätztechniken empfehlen sich isotropes Ätzen soweit die Vorsprünge oder Ausnehmungen einen runden Querschnitt erhalten sollen und anisotropes Ätzen, so weit die Vorsprünge oder Ausnehmungen einen rechteckförmigen Querschnitt erhalten sollen.So far, isotropic etching is recommended as the etching technique the projections or recesses have a round cross section and anisotropic etching, as far as that Projections or recesses have a rectangular shape Should get cross section.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigtAn embodiment of the invention is as follows explained using the drawing. It shows

Fig. 1 ein mit Vorsprüngen versehenes Substrat, Fig. 1 is a provided with projections substrate,

Fig. 2 einen Träger mit den den Vorsprüngen des Substrats entsprechenden Ausnehmungen, Fig. 2 shows a carrier with the projections of the substrate corresponding recesses,

Fig. 3 das Zusammenfügen zweier Substrate und, Fig. 3 shows the joining of two substrates, and,

Fig. 4 die mosaikartige Zusammenfügung von mehreren Substraten. Fig. 4 shows the mosaic assembly of several substrates.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Substrat 1 handelt es sich um ein Mikrobauelement, in welches eine elektrische Schaltung 2 in Form einer Halbleiterschaltung eingebracht ist. Das Substrat besteht aus Silizium und besitzt an seinem unteren Ende im wesentlichen quaderförmige Vorsprünge 4, welche mit dem Substrat einstückig verbunden sind oder durch Herausätzen aus dem Siliziumsubstrat geschaffen wurden. Die Vorsprünge 4 sind durch nicht dargestellte sich durch das Substrat ziehende elektrische Leiterbahnen mit geeigneten elektrischen Punkten der angedeuteten Schaltung 2 verbunden.In the example shown in FIG. 1, substrate 1 is a micro device, in which an electric circuit of a semiconductor circuit is placed in the mold 2. The substrate consists of silicon and has at its lower end essentially cuboidal projections 4 , which are connected in one piece to the substrate or were created by etching out of the silicon substrate. The projections 4 are connected to suitable electrical points of the circuit 2 indicated by electrical conductor tracks (not shown) which extend through the substrate.

Der Träger 6 besitzt den Vorsprüngen 4 entsprechende Ausnehmungen 5, die sich in die Tiefe gehend konisch verengen. Der Träger 6 kann als Teilausschnitt eines größeren Bauelementes betrachtet werden, oder aber auch als eigenes Mikrobauelement, welches eine eigene für den Betrachter nicht erkennbare elektrische Schaltung 2 trägt, welche sich auf der dem Betrachter abgewandten Seite befindet. So kann beispielsweise der Träger ein großer Wafer sein, welcher mehrere Substrate wie in Nummer 1 gezeigt, trägt. Die Innenflächen der Ausnehmungen 5 des Trägers 6 sind in geeigneter Weise mit einer in den Träger 6 eingebrachten elektrischen Leitung oder aber auch nur untereinander in zweckmäßiger Weise verbunden, so daß die Verbindungen wie eine Leiterplattenverdrahtung wirken.The carrier 6 has the projections 4 corresponding recesses 5 which narrow conically in depth. The carrier 6 can be viewed as a partial section of a larger component, or else as a separate micro-component which carries its own electrical circuit 2 which is not recognizable to the viewer and which is located on the side facing away from the viewer. For example, the carrier can be a large wafer that carries multiple substrates as shown in number 1. The inner surfaces of the recesses 5 of the carrier 6 are connected in a suitable manner to an electrical line introduced into the carrier 6 or else only to one another in a suitable manner, so that the connections act like printed circuit board wiring.

Beim Einstecken des Substrats 1 in den Träger 6 sorgen die in die Ausnehmungen 5 ragenden Vorsprünge 4 nicht nur für eine mechanische Verbindung zwischen den Substraten, sondern auch für eine geeignete elektrische Verbindung. Dabei sind die konischen Neigungswinkel der Ausnehmungen 5 derart gestaltet, daß bei einem Klemmsitz der beiden Substrate zwischen den einander zugewandten Flächen 3 und 7 ein Abstand bleibt, der zu Kühlzwecken ausgenutzt werden kann, indem zwischen den Platten eine Kühlflüssigkeit oder ein kühlender Luftstrom geführt wird. Die elektrische Verbindung die ggf. auch durch Diffusion der geeigneten Übergangsstellen im verwendeten Halbleitermaterial und nachträglichem Strukturätzen bewirkt werden kann, ist besonders zuverlässig. Die gleichzeitig bewirkte Verbindungs technik kann eine Platzersparnis bis zu 50% erreichen. When the substrate 1 is inserted into the carrier 6, the projections 4 projecting into the recesses 5 provide not only for a mechanical connection between the substrates, but also for a suitable electrical connection. The conical angle of inclination of the recesses 5 are designed such that when the two substrates are clamped between the mutually facing surfaces 3 and 7, a distance remains that can be used for cooling purposes by passing a cooling liquid or a cooling air flow between the plates. The electrical connection, which can also be effected by diffusion of the suitable transition points in the semiconductor material used and subsequent structure etching, is particularly reliable. The connection technology created at the same time can save up to 50% of space.

Bei dreidimensionalen Aufbau von IC's aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien lassen sich, wie oben schon erläutert, die notwendigen Kontaktierungsstellen und Verbindungswege in das Substrat einbringen und überlange Metallisierungswege vermeiden. Zusätzlich lassen sich als Leiterplattenmaterialien leitbahnstrukturierte Wafer einsetzen, auf die die steckfähigen Mikrobauelemente direkt platziert werden können. Auch die Verbindung unterschiedlicher Trägermaterialien ist möglich, sofern durch entsprechende Ätzprozesse die Materialien zuvor in geeigneter Weise struktuiert worden sind.With three-dimensional construction of ICs from the same or Different materials can be used as above already explained the necessary contact points and introduce connection paths into the substrate and Avoid long metallization paths. Leave in addition structured itself as printed circuit board materials Insert the wafer onto which the pluggable micro-components are placed can be placed directly. The connection too different carrier materials is possible, provided the materials beforehand using appropriate etching processes have been appropriately structured.

Die Substrate lassen sich nicht nur verbinden, wenn sie übereinander angeordnet sind, wie dies anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben ist, es ist auch eine Verbindung zweier oder mehrerer in einer Ebene liegender Substrate durch die Erfindung möglich, indem die Seitenflächen an den miteinander zu verbindenden Seiten mit Ausnehmungen 9 bzw. Vorsprüngen 10 versehen sind. Über diese Ausnehmungen 9 und Vorsprünge 10 lassen sich zwei oder auch mehrere Substrate lösbar oder fest miteinander verbinden, wobei die auf diese Weise hergestellte Substratanordnung auf einem weiteren Substrat mittel Klebematerial, "anodix bonding" oder mittels auf der Chipunterseite herausgeätzten Vorsprünge befestigt sind, wie dies anhand der Fig. 1 und 2 erläutert ist. Die Herstellung elektrischer Verbindungen zwischen zwei Substrate kann nun wiederum durch Metallisierung der Kontaktstellen an den Ausnehmungen 9 bzw. Vorsprüngen 10 geschehen, wobei die Kontaktstellen mit der elektrischen Schaltung auf dem Substrat verbunden sind. Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung elektrischer Verbindungen zwischen zwei in einer Ebene mechanisch miteinander verbundenen Substraten kann auch dadurch geschehen, daß an der Oberseite im Bereich der mit Vorsprüngen 10 bzw. Ausnehmungen 9 versehenen Seitenflächen elektrische Anschlußpunkte vorgesehen sind, welche zum Anschluß von Drähten mittels Schweißen oder Löten dienen. Die mechanische Verbindung zweier Substrate in einer Ebene kann auch zur Wärmeabführung dienen, wobei beispielsweise auf dem einen Substrat die Wärme entsteht und durch das mechanisch verbundene Substrat die Abstrahlungsfläche vergrößert wird. In diesem Fall sind elektrische Verbindungen nicht unbedingt notwendig. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß 4 Substrate 1, 8, 11 und 12 miteinander verbunden werden, um auf diese Weise eine integrierte Schaltung zu bilden. Es wird noch darauf hingewiesen, daß die Substrate nicht unbedingt aus den gleichen sondern auch aus unterschiedlichen Materialien bestehen können, wodurch sich auch integrierte Schaltungen herstellen lassen, die in unterschiedlichen Techniken hergestellt sind.The substrates can not only be connected if they are arranged one above the other, as is described with reference to FIGS. 1 and 2, it is also possible for the invention to connect two or more substrates lying in one plane by connecting the side faces to one another sides to be connected are provided with recesses 9 or projections 10 . Via these recesses 9 and protrusions 10 , two or more substrates can be detachably or firmly connected to one another, the substrate arrangement produced in this way being attached to another substrate by means of adhesive material, "anodix bonding" or by means of protrusions etched out on the underside of the chip, such as this is explained with reference to FIGS. 1 and 2. Electrical connections between two substrates can in turn be made by metallizing the contact points on the recesses 9 or projections 10 , the contact points being connected to the electrical circuit on the substrate. Another possibility for producing electrical connections between two substrates mechanically interconnected in one plane can also be provided by providing electrical connection points on the upper side in the region of the side surfaces provided with projections 10 or recesses 9 , which are used for connecting wires by means of welding or Serve soldering. The mechanical connection of two substrates in one plane can also be used for heat dissipation, heat being generated on one substrate, for example, and the radiation area being enlarged by the mechanically connected substrate. In this case, electrical connections are not absolutely necessary. In the exemplary embodiment shown in FIG. 4, it is assumed that 4 substrates 1, 8, 11 and 12 are connected to one another in order to form an integrated circuit in this way. It is also pointed out that the substrates may not necessarily consist of the same but also of different materials, as a result of which it is also possible to produce integrated circuits which are produced using different techniques.

Claims

1. Electrical components with introduced into a substrate or applied to the substrate electronic circuits that are connected to a carrier or to another component, characterized in that on the side facing away from the electronic circuit ( 3 ) and / or on the side surfaces of the Substrate ( 1 ) recesses ( 5, 9 ) or projections ( 4, 10 ) are provided, which correspond in their geometrical dimensions associated projections or recesses of a further substrate ( 6, 8 ) and that the two substrates by inserting the associated recesses ( 5, 9 ) and projections ( 4, 10 ) can be connected to one another.

2. Electrical components according to claim 1, characterized in that the projections ( 4 ) are designed as truncated circular cones and the associated recesses ( 5 ) as circular cylindrical openings.

3. Electrical components according to claim 1, characterized in that the projections ( 4 ) are essentially formed by circular cylinders and the associated recesses ( 6 ) essentially by rectangular cylinders, or vice versa.

4. Electrical components according to one of claims 1 to 3, characterized in that the outer surfaces of the projections ( 4, 10 ) and / or recesses ( 5, 9 ) are chamfered in such a way that they result in a press fit in the assembled state.

5. Electrical components according to one of claims 1 to 4, characterized in that the mutually facing base surfaces ( 3, 7 ) of the substrates ( 1, 6 ) are at a distance from each other in the mated state of the projections ( 4 ) and recesses ( 5 ) the cavities thus formed between the substrate surfaces ( 3, 7 ) are used for cooling purposes.

6. Electrical components according to claim 5, characterized, that the cavities in their entirety Form channel system with an inlet opening and an outlet opening connected to a cooling circuit preferably connected to the coolant circuit are.

7. Electrical components according to one of claims 1 to 6, characterized in that the projections ( 4, 10 ) and recesses ( 5, 9 ) are coated with an electrically conductive layers or are formed even of conductive material which to an electrically conductive connection have suitable points of the electronic circuit.

8. Electrical components according to one of claims 1 to 7, characterized in that the projections ( 4, 10 ) or recesses ( 5, 9 ) are formed by anisotropic etching.

9. Electrical components according to one of claims 1 to 8, characterized, that the substrates to be joined are made of silicon and / or ceramic exist.

10. Electrical components according to one of claims 1 to 6 or 8 to 9, characterized in that electrical connection points are provided on the top of the substrates ( 1, 8 ) in the region of the side surfaces provided with projections ( 10 ) or recesses ( 9 ) which are used to establish electrical connections between two substrates ( 1, 8 ).

11. Electrical components according to claim 10, characterized, that the connection through at the connection points welded or soldered wires.

12. Electrical components according to one of claims 1 to 11, characterized in that a plurality of side surfaces of a substrate with projections ( 4, 10 ) or recesses ( 5, 9 ) are provided.

13. Electrical components according to one of claims 1 to 12, characterized, that the substrates are made of different materials consist.